（电机与电器专业论文）双转子永磁风力发电机研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i n de n e r g yi sr e n e w a b l er e s o u r c e m o r ea n dm o r ee x p e r t sb e g a nt op u t a ne m p h a s i so np e r m a n e n tm a c h i n ew i t hh i g he f f i c i e n c yf o rw i n de n e r g y s y s t e m s u p p o r t e db ys h a n d o n gs c i e n c ea n dt e c h n 0 1 0 9 yd e v e l o p m e n t ， t h i s t h e s i ss t u d ya nn o v e lm a c h i n e t h ed u a l 一r o t o rr a d i a l 一f l u xp e r m a n e n t m a c h i n e b e c a u s e0 fi tsh i g he f f i c i e n c ya n ds p e c i a ls t r u c t u r e ，i th a s ab i ga d v a n t a g eo nt h es m a l lw i n de n e r g ys y s t e m t h er e s e a r c ho ft h et h e s i s m a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gp o i n t s ： i nt h ef i r s tp a r t ，t h es t r u c t u r e 、e q u i v a l e n ti i l a g n e t i cc i r c u i tm o d e l a n dt h ep r i n c i p l eo ft h en l a c h i n ei sd i s c u s s e d t h e nc o m p u t et h ei n d u c t a n c e o ft h ed u a l 一r o t o rp e r m a n e n t 腑c h i n e t h es e c o n dp a r tg i v e st h ep e r m a n e n t 加a g n e te m fo fa n a l y t i c a lm e t h o d a n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s f i r s to fa 1 1 ，c o n s i d e r i n gt h es t a t o rs l o t ， t h en o l o a da i r g a pm a g n e t i cf l u xd i s t r i b u t i o na n dt h ep e r m a n e n te m fc a n b ee x p r e s s e db yu s i n ga i r g a pr e l a t i v ep e r m e a n c ef u n c t i o n ，a n dt h e ng i v e t h ec o r r e s p o n d i n gw a v e f o r m s e c o n d l y ，t h ep e r r i l a n e n te m fi si n f e r r e du s i n g am e t h o do fv e c t o rs y n t h e s i s i no r d e rt oc h e c kt h ea n a l y t i c a lm e t h o d ， af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si si m p l e m e n t e dt os t u d yt h ea i r g a pm a g n e t i c f l u xd i s t r i b u t i o na n d t h ep e r m a n e n te m f t h r o u g ht h ec o p a r i s o n ， t h e a n a l y t i c a lm e t h o da n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa r ei ng o o da g r e e m e n t a t1 a s t ，t h et h e s i sp r e s e n t st h r e em e t h o d st or e d u c et h ep e r 嘲n e n te m f f l u c t u a t i o nu s i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ， p r o v e s t h em e t h o d sa r e f e a s i b l e t h et h i r dp a r ta n a l y z e st h ep e r m a n e n te m fa n dt h ec o g g i n gt o r q u eo f t h eh a l b a c hm a c h i n e ，b e c a u s et h eh a l b a c hm a c h i n eh a sag r e a ta d v a n t a g e o nt h ew i n de n e r g ys y s t e m f i r s to fa 1 1 ，t h ep r i n c i p l eo ft h eh a l b a c ha r r a y i sp r e s e n t e d s e c o n d l y ，af i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si si m p l e m e n t e dt os t u d y t h ea i r g a pl l l a g n e t i cf l u xd i s t r i b u t i o na n dt h ep e r m a n e n te m f a tl a s t ， 山东大学硕士学位论文 t h et h e s i sc a l c u l a t e st h ec o g g i n gt o r q u eu s i n ge l e c t r o 毗g n e t i cs o f t w a r e t h et h e s i sp r e s e n t st h r e em e t h o d s f o rr e d u c i n gc o g g i n gt o r q u ef l u c t u a t i o n t ot h eh a l b a c ha r r a yd u a l 一r o t o rm a c h i n e ， t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s is ， t h em e t h o d sa r ep r o v e dt ob ef e a s i b l e t h ef o r t hp a r td i s c u s s e st h ed e s i g nt h o u g h t ，b r i n g i n gf o r w a r dt h o u g h t t h a tw ec a nd e s i g nt h ei n n e ra n do u t e rp a r tr e s p e c t i v e l y ，a n dt h e na d j u s t t h et w op a r t so ft h el n a c h i n eg e n e r a l l y ，w eg i v et h em o d eo ft h em a c h i n e a n dm a k es o m ee x p e r i m e n t w em e a s u r et h ep e r 衄n e n te m fw a v e f o r ma t d i f f e r e n ts p e e d 、v 0 1 t a g e s p e e dc u r v e 、v 0 1 t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c c u r v eo nt h e1 0 a da n dm e a s u r e st h ei n d u c t a n c eo fa r l a t u r er e a c t i o n t h r o u g ht h ec o m p a r i s o n ，t h ev a l u eo fe x p e r i m e n t a l 、t h e o r e t i c a la n df i n i t e e 1 印e n ta n a l y s i s8 r ei ng o o da g r e 鲫e n t k e yw 0 r d s ：d u a l 叶o t o rp e r 帆n e n t 阳g n e t 眦c h i n e ； e q u i v a l e n tm a g n e t i c c i r c u i t ； i n d u c t a n c eo fa r 衄t u r er e a c t i o n ； a i r g a pp e r 腿n e n t 髓g n e t 毋u x d i s t r i b u t i o n ； p e r m a n e n te m f ；h a l b a c h 衄c h i n e ： c o g g i n gt o r q u e ；t o r q u e f l u c t u a t i o n ；e 1 e c t r 鲫a g n e t i cd e s i g n ； v 山东大学硕士学位论文 _ - _ _ l _ _ l _ _ i _ _ - _ - _ _ _ i _ _ _ _ _ _ l 符号说明 肺一真空磁导率 g 一每极每相槽数 k 一基波绕组因数 见一以绕组轴线为坐标原点的电角度 六一磁块的充磁方向 所一永磁体相对磁导率 一每相绕组串联匝数 j 一单个集中线圈的匝数 氏一定子开口齿槽宽度 嘶一槽距角 口一距槽中心线的空间位置角 ，一内、外转子电机直轴间的位置角 0 一定子轴向长度 一基波磁场磁链 l 一电枢反应电感 露一剩余磁化强度 p 一标量磁位 人o l 、a 。：一内、外永磁体内磁导 a d 、人9 2 一内、外气隙磁导 a 。i 、a 。：一内、外定子齿部磁导 人。一定子轭部磁导 人，。、人，：一内、外电机漏磁 a ，、a ，：一内、外转子轭部磁导 c 。、e ：一内、外转子永磁体计算磁动势 易、一内、外气隙磁密切向分量 饬、一内、外气隙磁密径向分量 、母矗一内、外转子永磁体磁密切向匀 、岛。一内、外转子永磁体磁密径向爱 e 一定子表面磁密切向分量 兄( r ，口) 一单个槽的气隙比磁导 z ( ，口) 一单个槽的相对比磁导函数 p 4 一。( 0 、乞一。( f ) 一内、夕 电机相电势 九- i 丸。一内、外电机第i 个线圈的磁铡 口一加、口一口鲥一内、外绕组第i 个线圈首 的空间位置角 万一加、j d 甜一内、外电机线圈节距机械： q 一风力机组全年的平均发电量 矽一气隙磁场的总能量 彬。一第k 个外定子齿部的气隙磁场能量 形。一第k 个外定子槽部的气隙磁场能量 岛一第七个外定子齿部的起始角度 岛一第七个外定子齿部的终止角度 山东大学硕士学位论文 岛一第七个外定子槽部的起始角度 见一第七个外定子槽部的终止角度 吼，一外定子齿和槽所跨的电角度 z 。一外定子第阶齿部产生的齿槽转矩 毛。一外定子第七个槽部产生的齿槽转矩 正：。一内定子第研、齿部产生的齿槽转矩 z ：。一内定子第七个槽部产生的齿槽转矩 瓦一外定子第_ 】 个齿区的合成齿槽转矩 一内定子第七个齿区的合成齿槽转矩 五一整个外电机的合成齿槽转矩 五一整个内电机的合成齿槽转矩 i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 立 i 臣：日期：塑2 ：兰兰； 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盏连z ：导师签名： 举日期：掣 山东大学硕士学位论文 1 1 课题来源及选题意义 第一章绪论 伴随着人类文明的发展，能源已经成为制约社会发展的重要问题，能源危机 的出现，迫使人们在生产和使用一些耗能产品时，越来越多的考虑节能。节能的 一个重要途径，就是提高效率。 在电机领域，提高效率的一种重要途径是利用永磁电机代替感应电机。根据 永磁材料的不同，永磁电机主要可分为钕铁硼永磁电机和铁氧体永磁电机两种。 钕铁硼永磁材料磁性能好，但价格较高m 】，因此该种电机主要用于高性能驱动 系统。铁氧体永磁材料价格低廉，但磁性能较差，所以该种永磁电机具有相对较 低的效率和转矩密度，因此目前主要用于微型电机中。如何提高铁氧体永磁电机 的运行效率和转矩密度，使其向较大容量发展成为铁氧体永磁电机的一个重要课 题。为提高铁氧体永磁电机的功率密度，应充分利用电机内部空间，由此可以采 用双转子电机结构3 1 。为此，在山东省中青年博士基金的资助下，我们对径向磁 场双转子铁氧体永磁电机进行研究开发，期望设计出一台高效、高功率密度的铁 氧体永磁电机。 1 2 双转子电机的研究现状 目前，国内外文献中出现了多种双转子电机，概括起来，主要分成以下几种： ( 1 ) 双转予感应电机“】。这种电机采用感应电机运行原理，其结构多采用 以下两种：其一内外转子采用鼠笼结构，中间为定子，其绕组采用径向缠绕方式。 该种电机可看作共用一个定子的内外两个感应电机；其二是最外层是定子绕组， 内部是两个转子，笼形转予带动轴旋转，输出机械功率，内转子可相对转轴旋转， 运行时作同步速运行，其结构如图卜l 所示嘲。同普通感应电机相比，这种电机 的效率和转矩密度将会显著提高。此外，国内外一些文献中也出现了双定子感应 电机m ”，其基本机构是沿电机的轴向有两个独立的定子，每个定子中均嵌有三 山东大学硕士学位论文 相对称的定子绕组；与其对应有两个转子铁心，它们通过鼠笼形导条组成一个完 整的转子，同时在两个转子铁心中间安装了由高电阻材料组成的附加电阻，如图 卜2 所示例。这种电机的特点是有较低的起动电流，较高的起动转矩。 ；1 f叫1 i ll， r j 萄。蠲 卜 1 胃蹋广 l l 【jl 1 定子；2 笼形转子；3 内转予；4 转轴 图卜l 双转子感应电机结构图 图卜2 双定子感应电机结构图 ( 2 ) 双转予轴向磁场永磁电机。轴向磁场永磁电机即盘式永磁电机，其外形 里扁平状1 2 】，转子上粘有多块扇形或者圆柱形按n 极和s 极交替排列的永磁体 磁极，定子有效导体在空间呈径向分布。 研究表明，轴向磁场电机有较高的功率密度。特别是对于那些特殊用途的电 机来说，优势更为明显。目前，轴向磁场电机已经在部分场合得到了应用。随着 电机制造技术的改进和提高，它的应用会更为广泛。双转子轴向磁场永磁电机同 双转子感应电机类似，也可看作共用同一个定子的两个轴向磁场永磁电机的合 成，其定子绕组既可以粘结在铁心上，也可以均匀环绕于铁心上，其结构如图 卜3 所示。与单转子结构相比，双转子结构可以克服磁拉力，减小漏磁，提高功 2 山东大学硕士学位论文 率密度及效率。此外，国内外文献中也出现了双定子轴向磁场电机，这里以双定 子盘式永磁直流电动机为例，给出其结构如图卜4 所示。 1 转子永磁体；2 转子铁心；3 定子绕组；4 定子铁心 图卜3 双转子轴向磁场永磁电机结构示意图 1 端盖；2 换向器；3 电刷；4 永磁体；5 电枢；6 端盖；7 轴承；8 轴 图卜4 双定子盘式永磁直流电动机结构示意图 ( 3 ) 双转子径向磁场永磁电机3 - 5 】。径向磁场永磁电机和轴向磁场永磁电机 的区别在于磁场方向，径向磁场电机的磁场垂直于转轴，而轴向磁场电机的磁场 方向与转轴平行。其结构为：定子是固定的，该定子沿轴向方向固定在一个垂直 静止的端盖上。定子由定子铁心和定子绕组组成。定子绕组由背靠背线圈组成。 内外两个永磁转子分别由呈圆筒形的外定子导磁铁心轭及其内表面的永磁体组 成和呈圆筒形的内转子导磁铁心轭及其外表面的永磁体组成。内外转子在端部固 定在一起并同步旋转。( 无特别说明，本文的双转子永磁电机特指径向磁场双转 子永磁电机) 。这种电机作为一种应用前景被看好的新型电机，最先由国外的 3 山东大学硕士学位论文 t h o 嘲sa l i p o 等人提出，并进行了初步的理论和实验研究，此后国外一些电机 专家也相继对这种电机的设计和磁场分析进行了研究。但是，目前国际上对双转 子径向磁场永磁电机的研究还很不全面，仅停留在初步理论和样机实验阶段。关 于这种电机仍有大量的基础理论问题，包括电机的参数计算、模型建立、分析方 法、优化设计等，有的还很不深入，有的还没有涉及，因此有待探讨和研究。为 了进一步了解该电机的特点和应用前景，本课题将对该电机进一步研究。 1 3 永磁风力发电机研究现状 在人类文明高度发展的今天，能源已经成为制约发展的重要问题，能源危 机的出现，迫使人们寻找新的能源和可再生能源。就是在这种形势下，风力发 电在新世纪将被大规模的开发应用，全世界将以3 0 一5 0 的速度持续增长。 风力发电技术以安全可靠无污染、不消耗燃料、建设周期短、规模大小灵活及 可并网运行等特点，在能源、电力产业中异军突起。欧洲风能协会报告指出， 2 0 2 0 年全球风力发电装机容量将达到1 2 3 1 亿千瓦，年装机量1 5 亿千瓦，风 力发电量占全球发电量的1 2 ，风力发电可能成为世界未来的潜代能源。国家 十一五规划明确提出，要大力发展风力发电。典型的风力发电是采用高速，齿 轮驱动感应发电机。而近几年，在寻求新的能源的同时，提高能源的效率也至 关重要。这就要求采取高效率的电机，使能源利用率能够充分发挥出来。从电 机自身方面，近几十年来，许多专家都致力于高效和高功率密度电机的研究。 永磁电机就是其中的一种。永磁电机作为发电机具有很多优点：由于省去励磁 绕组和容易出现故障的集电环和电刷，结构较为简单，加工和装配费用减小， 运行更为可靠。采用稀土永磁后可增大气隙磁密，并把电机转速提高到最佳值， 从而缩小了电机体积，提高功率质量比；由于省去励磁损耗，电机效率得到提 高；处于直轴磁路中的永磁体的磁导率很小，直轴电枢反应电抗较电励磁同步 发电机小得多，因而固有电压调整率比电励磁同步发电机小。因此国内外学者 也开始研究永磁电机在风力发电上的应用”】。 文献1 1 8 1 对径向磁场内转子电机、径向磁场外转子电机、轴向磁场双定子有 槽电机、轴向磁场双转子有槽电机、定子平衡单边轴向磁场电机、转子平衡单边 轴向磁场电机以及背靠背绕组轴向磁场电机( 即盘式电机) 等多种结构的永磁体 4 山东大学硕士学位论文 进行比较。通过比较得出以下结论：相同体积的电机，轴向磁场电机会产生更大 的转矩和效率；双边轴向结构比单边轴向结构有很大的优势；外转子径向磁场电 机比内转子径向磁场电机有优势；盘式电机结构简单，但是由于定子是无槽结构， 气隙相对较大，产生相同的磁场需要更多的永磁体，适合于低效率的风力发电。 但是该文献中未包含径向磁场的双转子永磁电机。r o n g h a iq u 在文献m 1 中对双 转子径向磁通和轴向磁通永磁无刷直流电机进行了比较，对于n d f e b 材料的永磁 电机，要得到相同功率，径向磁场电机比轴向磁场电机成本低很多，径向磁场电 机的效率却是略微低于轴向磁场电机；对于采用铁氧体永磁材料，要得到相同的 功率，径向磁场电机的成本略低于轴向磁场电机，而径向磁场电机的效率却是略 微高于轴向磁场电机；作为风力发电机运行时，径向结构双转子电机还有以下优 点： ( 1 ) 定子的背靠背绕组和双气隙结构，增大了电机的有效气隙面积，增加 了电机的绕组线圈数，使电机能够在较低的转速下产生较大的电势。 ( 2 ) 电机端部绕组长度不随着电机直径的变大而变大，从而可以利用增大 电机径长比来提高电机功率密度；同时，端部绕组相对较小，可以减低绕组电阻， 提高效率。 ( 3 ) 双转子电机可以大幅度的提高功率密度，这样就可以采用价格较低的 永磁材料，从而降低了永磁体的费用。 ( 4 ) 众所周知，电机定子和转子之间有径向磁拉力，而双转子电机的内外 磁拉力的方向相反，两者可以抵消掉一部分，这样可以有利于电机稳定运行。 ( 5 ) 从结构上看，双转子电机比外转子电机多了一个内转子，作为风力发 电机应用时，也具有外转子永磁电机发电机的优点。旋转的圆筒形转子发挥了 很多作用：1 ) 支撑永磁体。2 ) 为主磁通提供磁路。3 ) 方便风轮与发电机的直 接耦合。4 ) 外转子圆筒可以作为保护盖子，来减小环境危害对电机的损害。 1 4l i a l j 3 a c i i 磁体结构永磁电机的研究现状 1 9 7 9 年，美国著名学者k l a u s eh a l b a c h 针对永磁体的构造提出了一种新颖 的设计一h a l b a c h 列”l 。h a l b a c h 磁体电机比普通磁体电机有很多的优势： 5 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 功率密度大。相对于普通永磁体结构，由于h a l b a c h 列分解后的切向 磁场与径向磁场的相互叠加使得气隙一侧的磁场强度大幅度提高，而转子轭部磁 场强度减低，这样可以减小转予轭部铁心厚度，可有效地减小电机体积，提高电 机功率密度。 ( 2 ) 可使用集中式绕组。普通永磁体一般采用分布式绕组来削弱谐波磁势 的影响。在h a l b a c h 电机中由于其磁场正弦分布程度较高，谐波磁场影响较小， 因此可以采用集中绕组。 ( 3 ) 可以采用无槽结构。相对于有槽电机而言，无槽结构电机气隙磁密都 相对较弱。由于h a l b a c h 电机气隙磁场较强，通过合理设计的无槽h a l b a c h 电机 仍然能保持较高的气隙磁密。 正是由于h a l b a c h 电机存在的优势，国内外学者纷纷开始研究使用h a l b a c h 电机。美国加利福尼亚b e r k e l e y 实验室，研究了h a l b a c h 列两种最基本的结构： 平面h a l h a c h 列与曲面h a l b a c h 列的磁场分布，并给出了相应的磁场分布公式 0 9 】；英国s h e f f i e l d 大学的华裔学者z q z h u 系统地整理了h a l b a c h 电机的各 种理论，包括h a l b a c h 内转子电机和h a l b a c h 外转子电机，并对h a l b a c h 电机做 了进一步的研究【”1 ；美国的0 h i os t a t e 大学指出了其在人工心脏系统中的应用 价值，研究了消除该系统中h a l b a c h 电机转矩脉动的方法【”】；瑞典的苏黎世大 学与韩国的c h u n g n a m 大学研究了h a l b a c h 电机在飞轮储能系统中应用的优越性 【眠”】；国内关于h a l b a c h 电机研究的报道不是很多，从文献上看，只有沈阳工业 大学在心脏血液循环助推系统装置中【3 ”、中国科学院在自由电机激光摇摆磁铁 场分布测量装置中吲、北京航空航天大学的飞轮驱动用h a l b a c h 磁体结构永磁 无刷直流电机中应用了h a l b a c h 磁体”l 。 h a l b a c h 电机做为风力发电机运行时，除了上面所述的优点外，h a l b a c h 电 机自屏蔽作用，即能减小铁耗，又能减小电机转子铁轭的厚度，从而减小了转子 重量；同时h a l b a c h 磁体电机的齿槽转矩比普通磁体电机小很多，更适合于低风 速的启动。 6 山东大学硕士学位论文 1 5 论文主要研究内容 针对国内外研究现状，本文主要进行以下几个方面的工作： ( 1 ) 简单介绍双转子永磁电机的基本结构及其运行原理，给出双转子永磁 电机的等效磁路。针对该型电机绕组的特殊结构，计算了该种电机的电枢反应电 感。 ( 2 ) 引入相对比磁导函数，在考虑齿槽效应时，给出了双转子永磁电机永 磁电势的解析计算方法，并通过电磁场的数值计算法进行验证。针对双转子电机 的特殊结构，本文同时给出了几种减小电压波动的方法，并通过解析计算法进行 了分析对比。 ( 3 ) 由于h a l b a c h 磁体结构在风力发电机运行中潜在优势，本文对h a l b a c h 磁体结构的永磁电机进行了电势分析和转矩分析。在分析其电势时，本文对 h a l b a c h 磁体每极下不同段数的结构进行分析，并对其感应电势进行傅立叶分解， 从而得到随着段数的增多，其感应电势基波的含量分布增大。在分析转矩时，同 样对每极下不同段数的结构和普通径向磁场的永磁体进行比较。通过分析可以得 “ 到：h a l b a c h 磁体结构随着每极下段数的增多，其齿槽转矩越来越小。 ( 4 ) 论文最后一部分对双转子电机的设计特点进行了讨论，给出了这样电 机的设计流程图。利用设计流程编制了这种电机的电磁设计程序。最后给出了样 机模型及部分的试验数据。 1 6 本章小结 本章首先介绍了论文的课题来源及选题意义，然后结合参考文献，介绍了普 通永磁电机、双转子永磁电机的国内外研究现状、永磁风力发电机研究现状以及 h a l b a c h 磁体结构永磁电机研究现状，最后给出了本论文的主要研究内容。 7 山东大学硕士学位论文 第二章工作原理及参数计算 双转子永磁电机是一种新型结构永磁电机，可以采用铁氧体永磁体而获得高 功率密度和高效率，本章将给出该种结构的基本结构、等效磁路、工作原理、参 数计算及其分析方法。 2 1 双转子永磁电机的基本结构 双转子永磁电机可看作一台外转子永磁电机与一台内转子永磁电机套在一 起并共用一个定子的新型电机p 】，其基本结构如图2 一l 所示，该种电机主要由 外转子铁心、外转子永磁体、内转子铁心、内转子永磁体及内外转子之间的定子 绕组组成。 ( b ) l 一外转子铁心轭；2 一外转子永磁体；3 一外转子气隙；4 一定子；5 一内转子气 隙；6 一内转子永磁体；7 一内转子铁心轭；8 一转子轴 图2 1 双转子永磁电机的原理结构 8 山东大学硕士学位论文 图2 2 双转子电机三维图 图2 2 给出了双转子电机的三维图。可以看出，双转子电机内外转子铁心 通过端盘连在一起并同步旋转，外转子永磁体通常采用表面式结构，内转子磁体 可以采用表面式结构，也可采用内置式结构。定子铁心的一端通过螺栓固定于一 垂直的端面上，另一端悬空。 该种电机的特殊性更主要地体现在其绕组结构上，定子绕组呈环状分布，缠 绕在定子内外槽中，即线圈的一个边在定子铁心的外槽中，另一个边在定子铁心 的内槽中如图2 3 所示，图中给出的是每极每相槽数为1 且为整距的绕组结构， 实际上，根据永磁电机电势波形等的要求不同，双转子永磁电机的定子绕组可以 做成分布及短距形式。同样，定子绕组可以做成二相、三相、甚至更多相。 图2 3 定子a 相绕组连接示意图 2 2 双转子电机的等效磁路 根据内外永磁体的极性不同，双转子永磁电机可分为两种结构，其一内外永 磁体充磁方向相反( 并联磁路) ，其二内外永磁体充磁方向相同( 串联磁路) ，分 别如图2 4 a 和2 4 b 所示。 9 山东大学硕士学位论文 矗= 磁体充磁方向橱反8 磁体充磁方向糨离 图2 4 双转子电机磁路 对于串联磁路双转予永磁电机而言，内外定子槽通过几乎相同的内外每极气 隙磁通，定子铁心轭部没有磁场。该结构对于定子绕组来说，不能采取背靠背绕 组，而只能采取内外定子单独引线，定子铁心轭部没有磁场，理论上可以省去铁 心，采用无槽绕组，但是考虑到定子的机械强度，金属构件不可避免。其等效磁 路如下图： a n 耳l 厶 ， - 4 j la 廿l m a 玎， a 一 图2 5 串联磁路双转子永磁电机空载等效磁路 其中：瓦、只：一内外转子永磁体磁动势源的计算磁动势；人矿a 。：一内 外永磁体内磁导；人d 、a ，：内外气隙磁导；a 。、a ，：一内外定子齿部磁导 人。一定子轭部磁导；a ，。、人，：一内外电机漏磁；a ，。、a ，：一内外转子轭部磁 导。 对于并联磁路双转子永磁电机，内外转子的永磁体通过自身部分闭合，磁路 通过共用的定子轭闭合。内外定子槽所匝链的气隙磁通分别只与内外转子的永 磁体有关，这就相当于两个独立的永磁电机套装在一起，对于并联磁路的永磁电 1 0 山东大学硕士学位论文 机，由于其内外永磁体共用定子轭，因为定子轭部很容易饱和，因此在设计时应 充分考虑定子轭部磁场。其等效磁路如图2 6 所示，以下的分析以该种转子结构 为主。 n 层l a t - l - la _ a - ， 一 a 嘻 图2 6 并联磁路双转子永磁电机空载等效磁路 2 3 双转子永磁电机的运行原理 帕 易 图2 7 给出双转子永磁电机空载时的磁场分布图。可以看出，在工作原理上， 双转子永磁电机可以看作是一台内转子永磁电机和一台外转子永磁电机相互串 联的电机，定子绕组的外槽导体组成外转子永磁电机定子绕组，而定子绕组的内 槽导体作为内转子永磁电机的定子绕组，显然外转子绕组在外转子磁体的作用下 产生的电势与内转子绕组在内转子永磁体的作用下产生的电势相互叠加组成双 转子永磁电机的电势，外转子绕组产生的转矩与内转子绕组产生的转矩相互叠加 组成双子永磁电机的电磁转矩。所以双转子永磁电机的工作原理转化为内、外转 子永磁电机的工作原理，然后根据其具体的导线连接进行分析。 图2 7 电机一对极下空载磁力线示意图 山东大学硕士学位论文 2 4 电感参数计算 电感是电机的重要参数，本苹以三相星形绕组为例，利用双转子电机的等效 磁路，对双转子电机的电枢反应电感进行计算。双转子永磁电机可以看作内转子 永磁电机和外转子永磁电机相互串联而成，因此在计算其电感时，可分别计算内、 外转子永磁电机的电感，然后将其相加。 以外转子电机部分a 相绕组为例。计算时假设：( 1 ) 电枢槽部导体中电流集 中在槽中心线上；( 2 ) 铁磁物质磁导率= ；( 3 ) 槽开口的影响以气隙系数来 计及。在上述假设条件下，当多相电枢绕组中，通以多相对称电流后，由电枢电 流建立的气隙基波径向磁密的幅值为： 曰以= 。e _ l _ ( 2 4 1 ) 其中：巧一每极电枢基波磁势幅值；0 。一有效气隙长度； e ：鱼埘。i ， ( 2 4 2 ) 每极基波磁通： 氟2 云。喀- 2 十3 ) 由基波磁场产生的磁链： 妒。i = 疵足 ( 2 4 4 ) 绕组每相电枢反应电感为： 和暑锄。詈孚。告 浯t 嘞 对表面式磁体结构来说，可以认为内、外转子都具有均匀的等效气隙长度k 、 k ，并分别表示为： k 2 詈+ 2 。4 。6 ) k 2 薏“一 q _ 4 。7 1 2 山东大学硕士学位论文 其中：o 、0 分别为内外转子磁体的磁化方向长度，白、0 分别为内外转子的 实际气隙长度，“为永磁体的相对磁导率。 同理内转子电机部分每相电感为： 懈胁詈孚。苦 粕， 其中：p 为极对数，0 为电机定予铁心有效长度，、分别为双转子电机内、 外转子气隙半径， 七。基波绕组因数，单层整距绕组，取i 。= 0 9 8 。 因此双转子永磁电机的电枢反应电感可表示为： 铲2 胁詈孚。老+ 争 c z a 剐 2 5 本章小结 本章首先介绍了双转子永磁电机的基本结构及绕组连接情况，给出了两种不 同的双转子永磁电机永磁磁路结构，即串联和并联结构的等效磁路，分析了双转 子电机的运行原理，最后计算了双转子电机电枢反应电感。 山东大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章双转子永磁电机空载感应电势 对于永久磁钢表面安装的永磁电机，由于定子铁心开有若干槽，使气隙磁导 并非均匀值，从而导致电机气隙磁场含有幅值较大的齿谐波，当电机旋转时会引 起相绕组交链磁链的波动，使相绕组感应电势出现波动，进而导致绕组相电流的 脉动，引起电磁转矩的波动，最终引起电机的振动和噪声。可见，要准确计算永 磁电机的感应电势，电磁转矩，首先应准确计算电机气隙内的磁场分布，从而可 以准确计算出电机相绕组的电势变化波形和电机的电磁转矩波动，以确定有效的 改进措施。而准确计算永磁电机气隙内磁场分布的关键是如何考虑齿槽结构对气 隙磁场分布的影响。在气隙磁场的求解方法中，有限元数值计算方法可以准确计 算出气隙磁场的分布波形，具有通用性强、适用于各种媒质的特点。但其前处理 过程复杂、计算时间较长，对使用者有较高的技术要求，在电机优化设计中不便 采用。解析方法可以较准确地计算气隙磁场分布波形，同时可以观察到气隙磁场 分布与结构尺寸之间的关系，具有很大的工程实用价值阱】。 双转子电机可以看为两个表面安装的永磁电机，一个是内转子式，一个是外 转予式，当内外永磁体错开角度为o 时，其磁场分布如图2 7 所示，可以看出，磁 场分布可分为内电机磁场和外电机磁场。因此，在计算时，我们可以对其气隙磁 密分布进行分开计算。 忽略铁心饱和，永磁电机开槽对气隙磁场的影响可用相对比磁导函数加以计 算。永磁电机空载气隙磁场可等效为永磁磁极在光滑气隙内产生的气隙磁场与气 隙相对比磁导函数的乘积瞎”2 ”。 3 2 解析法求解气隙磁场分布 3 2 1 极坐标系下的拉普拉斯方程 1 4 首先给出极坐标系下求解区域满足的方程式。忽略定子齿槽，在磁场求解区 山东大学硕士学位论文 域中，磁感应强度与磁场强度的关系为：在气隙中满足方程豆= 。或；在永磁 体中满足方程昂= 。詹。+ 。庸；其中：露为剩余磁化强度、。= ，胁为绝 对磁导率； 假设永磁体退磁曲线在第二象限为直线，则厨= e 。则标量磁位在气隙 中满足方拶仍：o ；在永磁体中满足方程v2 妒= 等： 在极坐标下：露= 肘，尹+ m 口百 ( 3 2 1 ) 其中：m ，= m 。c o s 印口、m 口= o 、p 是极对数、口是一个永磁体极的中 心角、m 。_ 2 ( 毋砒! 兰、砌：丝+ 墼+ 三盟：丝。 心角即2 ( 聊。) 丽 、删2 予+ 等+ 言等2 等a 当电机空载时，在气隙中满足l a p l a c e 7 se q u a t i o n 方程： 等+ 吾等+ 专著= 。 c 。一z - z ， 在永磁体中满足q u a s i _ p o i s s o n i a ne q u a t i o n 方程： 纽+ ! 煎+ 三鲢：丝 研ir 鼬p8 8 r 弘? 3 2 2 忽略齿槽时求解区域磁场计算 ( 3 2 3 ) 首先设定求解区域：内转子永磁体为区域，内气隙区域i ，外气隙区域m ， 外转子永磁体区域册。从内到外半径依次为砖。，r 。，r l l ，r j 2 ，r 。：，r ，：。 对于双转子电机，在两个气隙中，其求解通用的标量磁位为： 仍( r ，口) = ( 4 r 4 + e ，1 ) ( qc h 口+ 见s i n ，l 印+ ( 以l n ，+ 岛) ( c o 口+ d o ) h ；l ( 3 2 4 ) 最终求解得到其气隙中，永磁体中标量磁位为： 山东大学硕士学位论文 伊i ( ，=( 以l r ”+ b m ，一”) c o s ，妒口 _ 1 3 5 。 口，r ( r ，护) =( 4 i n r ”+ e i n r 一”) c o s ，】妒占 ( 3 2 5 ) ( 3 2 6 ) 印时，矿n ( r 霸2 ( 圆= 。妻! 。r p + 玩，1 ，c 。s 印口+ 。，砉一赤等 。i t 3 。5 h ，1 3 5 ，一p ， ( 3 2 7 ) 印t 时，缈一c 口，= 。妻! ，m ，_ + b n n ，c 。s 印口+ 。蔫一赤等c 。s 印口 n i l ，3 。5 日- 1 3 5 y ，一p ， ( 3 2 8 ) 归= 1 时，2 ( 4 n r + 蜀n r 。1 ) c 。s 口+ 三等，1 l l ，c o s 口 ( 3 2 9 ) 印= 时，2c 彳- m ，+ 蜀m ，。) c 。s 口+ 三等，h ，c o s 护 双转子电机的边界条件为： 月_ ( ，臼) i ，。 。= o 日m ( r ，i ，。耳= o 日“( r ，d i ，。如：= o胃口( ，口) l ，l 耳：= o 占d ( ，印| r i 。= ( ，护) i ，： 日口p ，口) i ，。 = h 自( r ，口) l ，1 口，m ( ，口) l ，。 ：= 占，m ( r ，臼) i ，。且_ ：日口( ，d i ，。厶：= 日口( ，口) l ， ： 参考文献脚1 可以得到双转子电机在忽略齿槽效应时各个求解区域的磁场分 布表达式，限于篇幅本文只给出即1 时的表达式。 蹦删卜。萎警赤吖者蒜蠢 p ， k n p rk n k “ 叱寺叫c 鲁尸+ 争m c 。s 印口 1 6 山东大学硕士学位论文 讹俨妻等赤t 毒篝蒜，a “ r 代矗_ i 吣a ”1c 等”l c 争咿l 】s 证印口 ( ，班垫以南 。竺：圭! ! 釜! 二：! ：壹! ! 叁! ! 釜! ! ：竺：圭! ：! ：壶! ! 釜! ， 譬卜c 护卜簪“斧2 k c 急2 ”， 所 j l ，吒i 矗“ c 印州+ c 急州c 争叫s 帆。熟m 。高与c 争咿- c o s 印口 一。妻竺m 。i 石：等c 。s 印口 ( r ，班。霎，以) 赤 。 。竺：壶兰釜! ：! ：壶! ! 叁! ! 釜! ：二：竺：芝：! ：壶! ! 釜! ， 。 譬旷c 等2 叩簪k 等2 叫等2 ”， 叱勺州+ c 等州申”1 】s i n 印。熟眠赢与c 争”k n 印口 一。耋竺肘一i 石；i 笔面西n 印口 ( 3 2 1 4 ) 1 7 山东大学硕士学位论文 啦童半赤吖若蒡崭， r丘，2rk m 2片r 2 【( 寺”l + ( 等”1 ( 争咿l 】c 唧口 ( 3 2 1 5 ) 吲呐= 。妻警南q 者著攀器备卢， ，2，代m 2尺，2 c 印州一c 等”1c 争州蛐即口 外转子永磁体区域： ( r ，班。奏! ，蚓高 。竺：芝竺：壶兰釜! ! 釜：二竺：壶兰釜! ：! ：! ! ：壶兰釜! ， 譬卜c 斧2 譬c c 篆严一c 鲁广， 【印”1 老尸1 + ( 争”l 】c 唧弘。姜：? 帆高与c a ”s 印占 + 。熟坂面篝c o s 印臼 ( 3 2 一1 7 ) 口棚2 。垫m 一赢 ；竺：艺：! ! ：圭! ! 釜! ! 釜! ：竺：圭! ! 釜! ：! ! ：圭! ! 釜! ， 。 簪【1 _ ( 鲁严卜簪【( 等严一( 鲁广】 叱寺”1c 静”l c 孚门s 缸印。缸m 。高c 表”印口 一。奏竺m 。南s 访印口 山东大学硕士学位论文 3 2 3 定子表面磁场分布 即卜喜2 警南白”l tjj：；i；：；j；一，。s啊pp ( 3 2 一1 9 ) 。譬”c 妒卜簪r c 等尸一c 等2 ”，一“p 删= 童j 半赤白 t 毒蒡籍c o s 印一譬静叶簪t 白2 扎c 静1 一” 3 2 4 气隙相对比磁导函数的计算 本文以许一克变化为基础，给出了考虑齿槽效应的气隙相对比磁导函数 f 2 5 2 7 2 ”，该气隙相对比磁导函数反应了齿槽效应对气隙磁场的影响程度，且这种 影响程度随气隙径向位置而变化。 齿槽影响主要影响2 个方面：一是降低每极下的总磁通，二是影响气隙和永 磁体中的磁场分布；本文将主要讨论齿槽对磁场分布的影响。图3 一l 给出了相 对磁导计算模型，分析电枢开槽的气隙磁密时，常假设定、转子只有一面开槽， 另一面光滑；铁心的为无穷大，其表面为等磁位面。为了简单起见，还认为槽 深和槽节距都是无穷大。 1 9 山东大学硕士学位论文 ，l 转予 i 图3 1 相对磁导计算模型 id ( t ) v l ，俪 i 、 | l f _ l l n m 2 “3 口“4 “五 ( b 图3 2 单面开槽时气隙磁场的变换 根据上述假设，利用许一克变换，相对磁导计算模型转化为图3 2 ( a ) 的 z 平面多边形，相当于有五个角。其中定点z 1 在无穷远处，对应于国= 。故 在写粤时去掉对应于z 1 的因子，只选两个值，例如选为+ 1 和一1 。z 平面 4 和w 平面上的零点是相对应的。z 平面变化到w 平面的变换函数为： 其中：6 0 为槽口宽；口：l + (